Georges Lemaître
et l’invention du Big Bang
De tout temps, la contemplation du ciel nocturne a provoqué chez les hommes
émerveillements et interrogations
• Quelle est la nature des corps célestes ?
• Quelle force les anime ?
• Quels effets ont-ils les uns sur les autres ?
• Où sont-ils ?
• Quelle influence exercent-ils sur nous ?
• Quelle est leur origine ?
Les représentations
du cosmos ont fait appel aux mythologies,
aux croyances religieuses, aux pratiques sociales
et aux premières observations
astronomiques
Giordano Bruno (1548 – 1600)
Giordano Bruno (1548 – 1600)
Giordano Bruno, né en janvier 1548 à Nola en Italie,
est un (ancien) frère dominicain et philosophe.
Sur la base des travaux de Copernic et Nicolas de Cues, il développe la théorie de
l'héliocentrisme et montre, de manière philosophique, la pertinence d'un
univers infini, qui n'a pas de centre, peuplé
d'une quantité innombrable d'astres et de
Giordano Bruno (1548 – 1600)
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Bruno est le premier à postuler, contre la doctrine de l'Église de l'époque, la « pluralité de mondes habités » dans son ouvrage De l'infinito universo et Mondi (L'Infini, l'Univers et les Mondes).
Il postule que les étoiles sont des soleils, plus petits car éloignés, et que ceux-ci peuvent abriter d'autres créatures à l'image de Dieu.
« Ainsi donc les autres mondes sont habités comme l'est le nôtre ? » demande Burchio.
Fracastorio [porte-parole de Bruno] répond :
« Sinon comme l'est le nôtre et sinon plus noblement. Du moins ces mondes n'en sont-ils pas moins habités ni moins nobles. Car il est impossible qu'un être rationnel suffisamment vigilant puisse imaginer
que ces mondes innombrables, aussi magnifiques qu'est le nôtre ou encore plus magnifiques, soient dépourvus d'habitants
semblables et même supérieurs. »
Giordano Bruno (1548 - 1600)
Accusé formellement d'athéisme et d'hérésie par l'Inquisition, d'après ses écrits jugés
blasphématoires, il est condamné à être brûlé vif au terme de huit années de procès ponctuées
de nombreuses propositions de rétractation
qu'il paraissait d'abord accepter puis qu'il rejetait.
Le 17 février 1600 (52 ans), il est livré aux flammes sur le Campo de' Fiori à Rome, devant la foule des
pèlerins venus pour le Jubilé.
(1724 – 1804)
En 1755, Kant, dans son « Histoire générale de la nature et théorie de ciel » avançait
l’idée d’une nébuleuse primordiale et l’existence d’univers-îles.
Il envisageait l’Univers comme « un phénix de la nature, qui ne brûle que pour renaître de ses cendres et connaître une nouvelle jeunesse, à
travers l’infinité des temps et des espaces ».
Emmanuel Kant
Cosmologie
Intérêt que l’on porte à l’Univers dans son ensemble et à la place
que l’on y occupe…
La Cosmologie est maintenant
devenue une science…
Le début de la Cosmologie scientifique : les années 1915-1920
La relativité générale permet pour la première fois de faire
un modèle cosmologique cohérent
avec la physique !
Einstein
• Théorie de la Relativité Générale (1915)
• La cosmologie contemporaine commence avec un article de Albert Einstein, publié en 1917 et
intitulé « Considérations cosmologiques ».
• Dans cet article l’auteur propose un modèle de notre univers qui se voulait alors plausible pour l’époque, c’est-à-dire compatible avec les
observations du début du XXe siècle et les équations de la Relativité Générale.
Relativité Restreinte
Relativité Restreinte
• toutes les lois de la physique sont les mêmes dans les référentiels galiléens.
• la vitesse de la lumière dans le vide est la même quel que soit le référentiel dans lequel on
l’observe (c = 299 792 458 m/s ~ 300 000 km/s).
Transformations de Lorentz
Dilatation du temps
Contraction des longueurs
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Création de la notion d’espace-temps
• Coordonnées spatiales et temps jouent un rôle identique
• Création d’un « espace » à 4 dimensions : l’espace de Minkowski {O, x, y, z, ct}
• Un « point » de l’espace de Minkowski = couple (point spatial, instant) = événement
C’est une représentation mathématique de l'espace et du temps comme deux notions
inséparables et s'influençant l'une l'autre.
Newton
temps énergie masse
Einstein
Espace - Temps
espace
Masse - Energie
La Relativité Générale
(théorie relativiste de la gravitation)
se donne pour objectif de
construire une description de la nature invariante dans tout
système de coordonnées
Principe d'équivalence (faible) : (Support expérimental)
La masse inertielle et la masse gravifique
sont égales
quel que soit le corps :
m i = m g
Principe d’équivalence (fort)
Le principe d'équivalence fort, fondateur de la théorie de la relativité générale : Dans une petite région de l'espace, il n'y a pas de différence entre un
référentiel uniformément accéléré et un champ de gravitation
Principe d’équivalence (suite…)
• Le champ gravitationnel réel est décrit comme le passage à un référentiel non inertiel, il
entraîne une modification de la métrique de l’espace-temps
• Ceci signifie que les propriétés géométriques de l’espace-temps sont déterminées par les phénomènes physiques et ne sont pas des
propriétés immuables de l’espace et du temps
Équations d’Einstein !!!!
T G 8
Géométrie Contenu énergétique Proportionnalité
Idées Relativité Générale
La gravité n’est pas une force
mais une propriété de l’espace-temps Les concentrations de masse ou d’énergie
déforment (courbent) l’espace temps
Les objets suivent le plus court chemin (géodésiques) dans cet espace-temps courbé :
la trajectoire est la même pour tous les objets
La théorie de Newton : la gravité agit
instantanément à distance
La théorie d’Einstein :
l’information est transportée par les ondes gravitationnelles
Relativité Générale
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Un objet massif courbe l’espace-temps
Un objet se déplace dans l’espace-temps courbé par les autres objets
Equation d’Einstein :
La matière indique comment l’espace se courbe
La géométrie indique comment la matière se déplace
Avance du périhélie de Mercure
En 1915, Einstein écrivit : "Voici venue la fin de mes tourments.
Ce qui m'a fait le plus plaisir, c'est de constater que ma théorie
Eddington va commencer à s’intéresser à la théorie d’Einstein
Déviation de la
Lumière !
La masse donne à l’espace sa courbure.
La courbure de l’espace-temps gouverne le comportement de la lumière
Eclipse de 1919 : Einstein - Eddigton
Observée à deux endroits par deux équipes :
• Sobral au nord du Brésil : très bonne observation,
• Davidson et Crommelin.
• Île de Principe au large de la Guinée espagnole : Beaucoup de nuages,
• Eddington et Cottingham
Henrietta Swan Leavitt (1868 – 1921)
Les « Harvard Computers » devant le bâtiment C du Harvard College Observatory (1913) avec Edward Charles Pickering
Henrietta Swan Leavitt (1868 - 1921)
Astronome américaine ayant découvert
la relation entre la luminosité des étoiles variables et leur période de variation.
Elle travaillait à l'Observatoire
de l'Université Harvard, en tant que calculatrice, chargée d'examiner des plaques photographiques
dans le but de mesurer et de cataloguer la luminosité des étoiles.
Sa découverte permettra aux astronomes de mesurer la distance entre la Terre et les autres « galaxies » !
Les Céphéïdes
Une céphéïde est une étoile variable, géante ou supergéante jaune,
4 à 15 fois plus massive que le Soleil et 100 à 30 000 fois plus lumineuse,
dont l'éclat varie de 0,1 à 2 magnitudes selon une période bien définie, comprise entre 1 et 135 jours.
Elles ont été nommées d'après le prototype que constitue l'étoile δ de la constellation de Céphée.
Les Céphéïdes
Les Céphéïdes
Etalons des échelles de distance dans l'Univers grâce à la relation période-luminosité qui les caractérise :
plus une céphéide est lumineuse,
plus sa période de variation d'éclat est longue.
Dès lors que l'on connaît la période d'une céphéide, aisément mesurable, la relation période-luminosité permet de déterminer l'éclat intrinsèque de cette étoile.
Par une simple comparaison avec son éclat apparent, on en déduit sa distance,
Henrietta Swan Leavitt (1868 – 1921)
Page d'introduction de « 1 777 Étoiles Variables dans les nuages de Magellan », Henrietta S. Leavitt,
25 Céphéïdes du
Small Magellan Cloud
25 Céphéïdes du Small Magellan Cloud
Magnitude
Période (jours)
Log (période)
Le Grand Débat Shapley vs Curtis
sur la nature des nébuleuses (1920-1926)
Harlow Shapley qui prétendait que la Galaxie était énorme, d’un diamètre de 300 000 années-lumière, et pensait que les nébuleuses spirales étaient des objets gazeux contenus dans notre « Galaxie » même (La Voie Lactée).
Heber Curtis pensait que note Galaxie était relativement petite, avec un diamètre d’environ 30 000 années-lumière et que
les nébuleuses étaient d’autres « galaxies » situées loin de la nôtre.
Le Grand Débat : 1920-1926
Le Grand Débat a été clos en 1925-1926 par Edwin Hubble qui a détecté des céphéides et
de nombreuses autres étoiles variables dans plusieurs de ces nébuleuses
(NGC 6822, M33, M32 et M31 notamment), permettant d'en mesurer la distance et donc
de prouver la nature extragalactique
de ces objets.
M31 : plaque d’Hubble - Humason, exposition : 9 h,
En 1924, des étoiles variables céphéides
sont identifiées par Edwin Hubble sur les photos astronomiques de la nébuleuse Andromède (M31).
Grâce à la relation période-luminosité établie en 1912 par Henrietta Leavitt, ce dernier établit
la distance des étoiles et confirme la nature extragalactique de l'objet.
Cahier d’observation de Hubble :
(Lettre de Hubble à Shapley 19/02/1924)
“Here is the letter [from Hubble] that has destroyed my universe”
Shapley, 1924
Galaxie
1557 : Pontus de Tyard, Discours philosophiques
(253a ds Hug.)
Emprunté au latin galaxias emprunté lui-même au
grec γαλαξίας « voie lactée »
Etude du spectre des « galaxies »
les plus brillantes utilisant des temps de pose de 80 h.
Vesto Melvin Slipher (1875 – 1969)
Effet Doppler & décalage vers le rouge
En 1912, il fut le premier à observer le décalage
des raies spectrales des galaxies, et est donc le découvreur
du décalage vers le rouge
des galaxies.
La publication de 1915 fut présentée par Vesto Slipher à l’American Astronomical Society (August 1914 meeting). Parmi 15 galaxies étudiées, 11 possédaient
clairement un décalage vers le rouge!
La publication de 1917 est encore plus intéressante.
Le rapport redshift/blueshift était passé de 21/4, et Slipher comprit que nous n’étions pas dans un repère au repos par rapport aux autres galaxies (en moyenne).
Willem de Sitter
Einstein
1917 : Einstein dérive le premier modèle cosmologique relativiste.
L'espace est sphérique, statique, de densité uniforme.
Einstein introduit la constante cosmologique.
1917 : De Sitter dérive le second modèle cosmologique relativiste.
L'espace est statique, vide de matière.
Géométrie Contenu énergétique
Constante cosmologique
Quel type d’Univers ?
Quel type d’espace ?
Riemann
Lobatchevski
Euclidien
Géométries :
L’Univers en expansion : une révolution !
Les premiers modèles de l’ U nivers en expansion sont construit
dans les années 1922 - 1930 :
• Univers en pulsation de Friedmann
• Atome primitif de Lemaître
Alexandre Friedmann (1888-1925)
Alexandre Friedmann (Aleksandr Aleksandrovitch Fridman), né à Saint-Pétersbourg
En 1922, il fournit dans la célèbre revue de Physique :
" Zeitschrift für Physik", le premier modèle d'univers en expansion, il est un des rares génies du siècle à avoir compris les équations
d'Einstein, mais il meurt en 1925
(à 37 ans dans un accident de ballon de météorologue).
Pour lui l'univers est en pulsation permanente pris entre contraction et expansion…
Il est le premier à donner un ordre de grandeur de la masse de l'univers, soit 5 1021 masses solaires et un âge : 10 milliards d'années.
Alexandre Friedmann (1888-1925)
Georges Lemaître
(1894 – 1966)
Georges Lemaître (1894 – 1966)
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Georges Lemaître, né le 17 juillet 1894 à Charleroi en Belgique
,
Chanoine catholique belge, astronome et physicien,
professeur à l'U niversité
C atholique de Louvain.
Georges Lemaître, enfant entre ses deux frères.
En 1904, il entre au collège des jésuites de Charleroi (collège du Sacré-Cœur).
Il est admis à l' E cole des M ines de l' U niversité C atholique de Louvain
en 1911.
Au début de la première guerre mondiale, il s'engage dans le 5
ecorps des volontaires
et participe à la bataille de l' Y ser.
En 1919, il reprend ses cours de mathématiques et
de sciences physiques à l‘Université Catholique
de Louvain.
Cette même année, il obtient son baccalauréat en philosophie
thomiste.
Il entre au séminaire
(maison Saint-Rombaut de Malines) en 1920 pour être ordonné prêtre
en 1923.
Il rejoint la Fraternité sacerdotale des amis de Jésus.
(Il sera nommé chanoine honoraire
en 1935).
Afin d'obtenir une bourse de voyage, il rédige en 1922 un mémoire sur
« La Physique d'Einstein », lui permettant de remporter
la distinction.
Il écrit son premier article
scientifique en août 1923. Il est admis cette même année à l' U niversité de
Cambridge (Royaume-Uni)
Il suit à Cambridge (Royaume-Uni), les cours de
l'astronome Arthur Eddington et travaille avec ce dernier.
Il passe l'année suivante au Harvard College Observatory de Cambridge (États-Unis).
Lemaître s'inscrit peu après au Massachusetts Institute of Technology et travaille sur plusieurs sujets, la relativité
générale, l'étude des étoiles variables et une théorie d'Eddington tentant de relier l'électromagnétisme à la gravitation.
Il perçoit alors le caractère non statique de l'univers.
Il rencontre Edwin Hubble et s'entretient avec Robert Millikan.
En 1926, il soutient sa thèse sur le calcul du champ
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Eddington
Millikan
Hubble
Lemaître revient en Belgique et entame sa première année d'enseignement
à l'Université C atholique de Louvain, dans le beau cadre du collège des Prémontrés,
siège du département de physique.
Il enseigne la mécanique analytique, l'histoire des sciences, la méthodologie
mathématique et la relativité.
D'autre part, les discussions avec
Ludwick Silberstein lui ont montré que l'Univers de « de Sitter » est un cadre mathématique
dans lequel on peut établir
une loi de décalage vers le rouge.
Cependant, l'espace-temps de l'astronome hollandais ne convient pas, parce qu'il est vide de matière et que
sa géométrie est euclidienne.
L'espace-temps d'Einstein ne convient pas non plus, puisque, tout en étant rempli de matière, il est
incapable de rendre compte d'un mouvement global de fuite des galaxies.
Comment sauvegarder à la fois l'idée d'un Univers massif et celle d'un Univers non
statique emportant avec lui les galaxies dans un mouvement d'expansion ? En trouvant un Univers réalisant une
interpolation entre « Einstein » et « de Sitter » ! L'idée a déjà été suggérée par Eddington dans
sa Mathematical Theory of Relativity.
Le trait de génie !
Dans son article fondamental de 1927 intitulé : Un univers homogène de masse constante et de
rayon croissant, rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques, il reprend une géométrie sphérique comme dans l'Univers d'Einstein, mais il suppose que
le rayon de l'Univers est variable dans le temps, comme dans sa représentation de
l'Univers plat et en expansion exponentielle de
« de Sitter ».
Le trait de génie !
Lemaître écrit alors les équations
du champ gravitationnel d'Einstein correspondant à cet Univers sphérique de rayon variable
qu'il suppose de masse constante et
rempli d'un fluide parfait de densité homogène.
Dans les équations d'Einstein, il conserve la célèbre constante cosmologique,
introduite par Einstein, puis par de Sitter.
Lemaître montre qu'une solution de ses équations correspond à un espace sphérique qui gonfle
de manière exponentielle avec le temps
(comme dans sa représentation euclidienne de l'espace de de Sitter) et qui s'identifie à l'Univers d'Einstein
à l'infini dans le passé.
L'Univers de Lemaître n'a donc aucun
commencement, ou son commencement se passe à un temps infiniment reculé dans le passé.
Pendant un temps infini, l'Univers de Lemaître
ressemble à un Univers statique d'Einstein (instable) !
Le modèle de Lemaître-Eddington.
L'Univers de Lemaître n'a pas non plus de fin temporelle.
À l'infini dans le futur, il a un volume infini et une masse finie, et possède donc une densité nulle.
Il correspond alors à un Univers de de Sitter.
Lemaître a trouvé un univers dynamique qui réalise
« l'interpolation » entre « Einstein » et « de Sitter ».
Dans l'Univers de Lemaître, la lumière émise par une source lointaine,
une « nébuleuse », subit un décalage vers le rouge lié à l'expansion même de l'espace : les nébuleuses ne changent pas leur position par rapport à l'Univers,
c'est l'Univers qui les emporte dans son
expansion.
Expansion
Lemaître dérive une loi qui lie la distance r des sources à leur vitesse de fuite v
par rapport à nous. Il trouve une loi linéaire du type v = a × r, où le coefficient a dépend de la variation relative du rayon de l'Univers.
Ce coefficient préfigure ce qui sera, en 1929,
la « constante de Hubble » qui, dans la loi de Hubble, relie linéairement la vitesse de fuite des galaxies
à leur éloignement.
À l'aide des mesures de distances des galaxies , publiées par Hubble
en 1926 et des mesures de vitesse moyenne effectuées par Gustaf Strömberg en 1925
sur 42 « nébuleuses extragalactiques », Lemaître détermine la valeur du coefficient
à environ 625 kilomètres par seconde
pour des objets situés à un mégaparsec
(c'est-à-dire à 3,26 × 10
6années-lumière).
Edwin Hubble
1929
1931 : Lemaître propose son modèle d'univers initialement singulier,
l'atome primitif, dans lequel une phase de stagnation permet
la formation des galaxies.
Il suggère que les rayons cosmiques
sont les reliques de l'univers primitif.
92
Georges Lemaître note en 1931 :
« L’évolution du monde peut être comparée à un feu d’artifice qui vient de se terminer. Quelques mèches rouges,
cendres et fumées. Debout sur une escarbille mieux refroidie, nous voyons s’éteindre doucement les soleils et cherchons à reconstituer
l’éclat disparu de la formation des
mondes. »
« L'hypothèse de l'atome primitif » est le texte d'une conférence que
Lemaître donne à la session annuelle de la Société H elvétique des
S ciences N aturelles à Fribourg en septembre 1945,
et publiée la même année ,
dans les actes de cette société.
Sous ce même titre , figurent
plusieurs autres publications de Lemaître, notamment l'ouvrage qui fera le plus connaître
Lemaître en Europe et à l'étranger : L'hypothèse de l'atome primitif :
Essai de cosmogonie,
publié à Neuchâtel et à Bruxelles en 1946, traduit en anglais sous le titre
The primeval atom : An essay on cosmogony
en 1950.
Sa « théorie de l'atome primitif »,
visant à expliquer l'origine de l'univers, constitue le fondement de la théorie actuelle du Big Bang.
« Je doute que quiconque d’autre que vous ait étudié avec autant de soins les implications cosmologiques de la théorie
de la relativité »
( lettre d’Einstein à Lemaître du 26 septembre 1947)
L'affaire Un'Ora
Le premier à voir dans le « Big Bang », une indication possible de la création divine fut le pape Pie XII.
Dans son discours « Un’Ora » prononcé
le 22 novembre 1951 à l'Académie pontificale des sciences, il dit en effet : « Il semble, en vérité, que la science
d’aujourd’hui, remontant d’un trait des millions de siècles, ait réussi à se faire le témoin de ce Fiat Lux
(Que la lumière soit) initial, de cet instant où surgit du néant, avec la matière, un océan de lumière et de radiations,
tandis que les particules des éléments chimiques se séparaient et s’assemblaient en millions de galaxies. »
Pie XII prononce ainsi un discours sur les preuves de l'existence de Dieu
à la lumière des sciences
où il suggère, sans la nommer, que la théorie de Lemaître crédite
la création ex nihilo .
Le chanoine Lemaître est très affecté.
Lemaître sépare les deux chemins menant l'un vers la connaissance de la nature et l'autre vers celle des vérités théologiques.
Une conséquence naturelle de cette conception est que le rapport de Dieu au monde ne peut être
mis en évidence par les sciences de la nature !
Pour Lemaître, il ne peut être question de confondre la création ex nihilo, au sens théologique, avec
le début de l'Univers tel qu'il l'a décrit par son hypothèse de l'atome primitif :
« Nous devons affronter la valeur nulle du rayon [de l'Univers]. Nous pourrions appeler cet événement un commencement. Je ne dis pas une création. D'un point
de vue physique, c'est un commencement dans le sens où si quelque chose est arrivé avant, cela n'a aucune
influence observable sur le comportement de notre Univers, car toute caractéristique de la matière avant
ce commencement a été complètement perdue par
[…]D'un point de vue physique, tout se passe comme si le zéro théorique était réellement un commencement.
La question de savoir si c'était vraiment un
commencement ou plutôt une création – quelque chose débutant à partir de rien – est une question philosophique
qui ne peut être résolue par des considérations physiques ou astronomiques. »
Lemaître n'a jamais cessé
de réaffirmer cette thèse !
La grande passion scientifique de Lemaître devient alors le calcul numérique sur machine,
domaine où il sera aussi grand précurseur.
Georges Lemaître a appris, quelques jours avant sa mort, la découverte du rayonnement fossile.
Ce que Lemaître avait élégamment appelé
« l'éclat disparu de la formation des mondes ».
Lemaître avait été transporté à l'hôpital deux semaines auparavant, atteint d'une leucémie.
Lemaître dit simplement « Je suis content maintenant, au moins, on en a la preuve ».
(de la théorie du « Big Bang »)
Il meurt le 20 juin 1966 à Louvain.
Sphérique Plat
Hyperbolique
1965 :
La confirmation de la théorie
du
« Big Bang »
Penzas et Wilson - 1965
Well boys, we have been scooped !
« Eh bien les gars, nous nous sommes fait doubler ! » déclare Robert Dicke.
Avec deux collaborateurs de l’université de Princeton, Roll et Wilkinson, il travaille sur l’hypothèse
d’un fond diffus cosmologique qui serait une radiation reliquat de l’univers primordial.
Pour tenter de détecter ce rayonnement, les chercheurs de Princeton préparent la construction d’une antenne permettant d’effectuer
des mesures dans le domaine des micro-ondes.
C’est précisément cette détection que Penzias et Wilson viennent d’effectuer !
Fond diffus cosmologique
WMAP
Isotrope à 10-5 près
Satellite Planck
L’échelle de couleur est en millionièmes de degré : c’est l’écart par rapport à la température moyenne de - 270,425 ℃,
-486 μK +538 μK
Comparaison WMAP vs PLANCK
Comparaison entre le rayonnement fossile vu par le satellite européen Planck et par le satellite 114
américain WMAP 10 ans plus tôt. Les détails sont enfin accessibles sur toute la voûte céleste
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Forges cosmiques : Nucléosynthèse Primordiale
+
+
+
Les 3 premières minutes !
Abondance relative des éléments légers
75% Hydrogène 14% Hélium
Sakharov : la primauté de la matière
La théorie du B ig B ang
Univers en expansion se refroidissant
Décalages vers le rouge
Rayonnement fossile Abondance des CMB
éléments légers
Homogénéité Isotropie Universalité
Échelle de Planck
10 -43 s
La gravitation émerge
10 32 K
10
-35s
Inflation
10
-32s
Interactions forte et électrofaible se dissocient
10
-10s
Interactions faible et électromagnétique se dissocient
Apparition des masses
1 s
Formation des protons et neutrons
10
-4s
Découplage des neutrinos
180 s
Les noyaux légers sont formés
300 000 ans Création des atomes
380 000 ans Rayonnement fossile lib. lumière
1 milliard d’années
Formation des galaxies
13,7 milliards d’années
L’Homme se pose la question des origines
Big Bang
BIG FREEZE
"énergie fantôme"
